CN105717399A - 电网适应性测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电网适应性测试装置，该装置包括：设有可切换绕组的移相变压器，所述移相变压器的一次端设有转接头，用于连接至少两种电压等级的输入端子；与所述移相变压器相连的级联式扰动发生器，由多个H桥功率单元级联，用于根据控制信号产生不同等级的扰动电压；输出滤波器，用于对所述级联式扰动发生器输出的交流电压信号进行滤波，得到预设频率的正弦波信号；输出升压变压器，采用可切换绕组输出，用于对所述正弦波信号升压至预设的电压等级；主控制器，与所述级联式扰动发生器相连，用于产生控制指令并发送至所述级联式扰动发生器。该装置能够同时适用于风电机组和光伏逆变器的电网适应性测试，使用方便，节约资源。

Description

电网适应性测试装置

技术领域

本发明涉及电网测试技术领域，尤其涉及一种电网适应性测试装置。

背景技术

随着人类追求清洁能源步伐的不断加快，新能源发电得到了更广泛的发展，风电场以其集群风力发电机组的方式进行电力的输送，光伏电站也集中式接入电力系统，其在电力系统电源结构中占比也大幅增加，对电力系统的影响也越来越明显。但由于风电场、光伏电站的建设地点位于风光资源相对丰富、用电负荷相对较小的地区，该地区电网结构比较薄弱，再加上风电的随机性及波动性，光伏受云层的影响多变性，新能源汇集地区的频率波动、电压波动、谐波、闪变以及电网的三相不平衡时有发生，严重影响了风电机组、光伏逆变器的稳定运行，导致新能源系统存在很大的安全隐患。为了更好的提升新能源的安全稳定运行，相关标准要求风电机组、光伏逆变器具备电网适应性的功能，如：IEC61400-21《Measurementandassessmentofelectricalcharacteristics–Part1-Windturbines》及国家标准GB/T19963-2011《风电场接入电力系统技术规定》、GB/T19964-2012《光伏发电站接入电力系统技术规定》对风电机组、光伏逆变器的电压偏差、频率偏差、三相电压不平衡、电压闪变与谐波均作出了明确要求；国家能源局《风电机组并网检测管理暂行办法》(国能新能[2010]433号文)，规定“电网适应性测试”为风电机组并网检测内容之一。

通过对新能源汇集地区风电机组的事故统计，由于风电机组、光伏逆变器无法适应电网电压变化、频率波动、三相电压不平衡、闪变与谐波等电网扰动的影响，风电脱网事件时有发生，且呈现分布范围越来越广、影响范围越来越大、出现频率越来越高的特点。因此如何提升风电机组、光伏逆变器的电网适应性能力已经迫在眉睫。但由于风电机组、光伏逆变器单体的容量不断增加，如何在现场进行风电机组、光伏逆变器电网适应性的测试面临着无测试设备的困境，且现有的测试设备在风电机组和光伏逆变器之间不通用，安装使用复杂不便。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种电网适应性测试装置，该装置能够同时应用于风电机组和光伏逆变器的电网适应性测试，使用方便，节约资源。

为达到上述目的，本发明实施例提出的电网适应性测试装置，包括设有可切换绕组的移相变压器，所述移相变压器的一次端设有转接头，用于连接至少两种电压等级的输入端子；与所述移相变压器相连的级联式扰动发生器，由多个H桥功率单元级联，用于根据控制信号产生不同等级的扰动电压；输出滤波器，用于对所述级联式扰动发生器输出的交流电压信号进行滤波，得到预设频率的正弦波信号；输出升压变压器，采用可切换绕组输出，用于对所述正弦波信号升压至预设的电压等级；主控制器，与所述级联式扰动发生器相连，用于产生控制指令并发送至所述级联式扰动发生器。

进一步地，所述移相变压器的二次端采用角形接法，每一相包含六组二次绕组，每个二次绕组的相位角依次错位30度。

进一步地，所述H桥功率单元由整流模块、直流滤波模块、逆变模块集成，其中，所述整流模块是采用IGBT模块组成的三相桥电路，用于将所述移相变压器输出的交流电压信号整流成直流电压信号；所述直流滤波模块，用于滤除所述直流电压信号中的交流分量，同时储存能量，为所述逆变模块提供稳定的电压；所述逆变模块是采用IGBT模块组成的单相桥电路，用于根据所述滤波后的直流电压信号输出单相交流电压信号。

进一步地，所述多个H桥功率单元级联是六个H桥功率单元的单相交流电压信号输出级联，输出信号为三相交流波中的一相。

进一步地，所述输出滤波器为LCL型滤波器。

进一步地，所述装置还包括与所述移相变压器相连的输入保护器，包括输入断路器和综合保护器，用于控制所述电网适应性测试装置的通断电。

进一步地，所述装置还包括高压输入端和高压输出端，用于通过高压电缆引入站场内的电力信号；其中，所述高压输入端与所述输入保护器相连，所述高压输出端与所述输出升压变压器相连。

进一步地，所述输入保护器与所述主控制器相连，用于根据所述主控制器的控制指令控制所述输入断路器的通断。

进一步地，所述被测装置是风电机组或光伏逆变器。

进一步地，所述装置还包括数据采集分析系统，用于采集所述装置的输出端所连风电机组或光伏逆变器的并网信息，并分析所述风电机组或光伏逆变器的运行状态。

本发明实施例提出的电网适应性测试装置，可以同时应用在风电机组和光伏逆变器，在测试不同对象时，只需进行简单的现场改线即可进行测试，简化了现场安装操作步骤，并且设计的硬件电路可以更好的适应不同的接入对象，具备较强的鲁棒性；内部电路的设计在降低成本的同时保证了较高的性能。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实施例的电网适应性测试装置的结构示意图；

图2是本发明一个实施例的移相变压器的一二次绕组的对应结构示意图；

图3是本发明一个实施例的移相变压器的一相对应的六组二次绕组的结构示意图；

图4是本发明一个实施例的H桥功率单元的结构示意图；

图5是本发明一个实施例的由多个H桥功率单元级联的扰动发生器的级联电路结构示意图；

图6是本发明另一个实施例的电网适应性测试装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面参考附图描述本发明实施例的电网适应性测试装置。

图1是本发明一个实施例的电网适应性测试装置的结构示意图，如图1所示，该装置包括：移相变压器10、级联式扰动发生器20、输出滤波器30、输出升压变压器40和主控制器50。

具体地，设有可切换绕组的移相变压器10所述移相变压器的一次端设有转接头，用于连接至少两种电压等级的输入端子，以适应不同被测装置的电压等级。更具体地，移相变压器10的一二次绕组采用星形接法绕制，并通过独创的双绕组设计，在设计时根据现场风电机组、光伏逆变器特定的电压等级，可将移相变压器10设计成具有两种可切换绕组的变压器，根据风电机组高压侧电压等级35kV和光伏逆变器高压侧电压等级10kV，在移相变压器10的一次端设置一个转接头，在测试风电机组时，将转接头连接在35kV分接头端子上，在测试光伏逆变器时，将转接头连接在10kV分接头端子上，以保证二次输出的电压保持恒定。

在本申请的一个实施例中，移相变压器10的二次端采用角形接法，每一相包含六组二次绕组，每个二次绕组的相位角依次错位30度，移相变压器二次端共包含18个二次绕组，一二次绕组的对应结构如图2和图3所示，采用该种设计可以降低输入侧流入的谐波电流的频率及谐波次数，同时由于二次端采用角形接法，使输出侧的三次谐波相互抵消，隔离了电网上的三次及三次倍数的谐波。

与所述移相变压器相连的级联式扰动发生器20由多个H桥功率单元级联，用于根据控制信号产生不同等级的扰动电压。级联式扰动发生器20的结构示意图如图4所示，采用交流-直流-交流的工作方式和先整流再逆变的主电路拓扑。在具体实施例中，每个级联的H桥功率单元都由整流模块21、直流滤波模块22、逆变模块23集成，其中，所述整流模块是采用IGBT模块【由IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管芯片)与FWD(Freewheelingdiode，续流二极管芯片)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品】组成的三相桥电路，用于将所述移相变压器输出的交流电压信号整流成直流电压信号；所述直流滤波模块，用于滤除所述直流电压信号中的交流分量，同时储存能量，为所述逆变模块提供稳定的电压；所述逆变模块是采用IGBT模块组成的单相桥电路，用于根据所述滤波后的直流电压信号输出单相交流电压信号。这样保证了能量的双向流动，在电网为风电机组、光伏逆变器建立电压时，能量从电网经过整流单元流向风电机组、光伏逆变器，当风电机组、光伏逆变器并网之后，风电机组、光伏逆变器输出的能量通过整流单元输送至电网，整流单元输出的直流电压记为U_d；由于整流单元输出的直流电压信号中还包含交流分量及纹波分量，在整流单元之后连接滤波电容器作为直流滤波单元，滤除直流中的交流分量，同时储存能量，为逆变环节提供稳定的电压。逆变单元是采用IGBT模块组成的单相桥电路，将滤波后的直流电压信号输出为单相的交流电。在一个具体实施例中，如图4所示，本申请的IGBT模块可以集成IGBT和反并联二极管使用，避免IGBT因突然关断产生的高压而击穿。

进一步地，所述多个H桥功率单元级联是六个H桥功率单元的单相交流电压信号输出级联，输出信号为三相交流波中的一相。这样能够增加逆变单元输出的电压级数，降低输出谐波含量，在保证性能的同时节约成本。移相变压器10的二次端输出的每一相都包含6组二次绕组，将每一组二次绕组都与H桥功率单元连接，并且将六组H桥输出的单相交流波形进行串联，形成幅值更高和级数更多的交流波，每六组输出级联成三相交流波的其中一相，其电路拓扑结构如图5所示。将A相的六组H桥功率单元的输出首尾相连，组成六组级联的A相输出，记为U_oa，B、C相类似A相的连接方式分别组成六组级联的B、C相输出分别记为U_ob、U_oc，通过级联的方式可以使逆变器输出的电压波形更加接近正弦波，减少了逆变器输出的谐波含量。在具体实施例中，H桥功率单元可以采用模块化设计，将三相H桥整流单元、中级滤波直流电容器单元、单相H桥逆变单元集成为一个模块化的功率单元，这样保证了功率单元的通用性，便于移动、拆装和现场维护。

输出滤波器30用于对所述级联式扰动发生器20输出的交流电压信号进行滤波，得到预设频率的正弦波信号。通过级联式扰动发生器20输出的交流电是PWM(PulseWidthModulation，脉冲宽度调制)的脉冲波形，在型式上属于SPWM(SinusoidalPulseWidthModulation，正弦脉宽调制)，必须通过滤波器将其变为真正的正弦波形，同时由于H桥功率单元的输出包含高次谐波，需要通过滤波器将高次谐波滤除，设计的LCL型滤波器根据H桥功率单元的开关频率选取相应的L(电感)、C(电容)的实际值，设计特定的截止频率，保证输出电压的电能质量。同时由于电网适应性测试装置接入设备的多样性，可能会使电网适应性设备输出发生振荡，采用LCL型滤波器可以有效抑制电网适应性装置与被测负载之间的分布电感和分布电容的放大，同时在C回路上增加阻尼电阻，用于抑制输出振荡。

输出升压变压器40采用可切换绕组输出，用于对所述正弦波信号升压至预设的电压等级。通过逆变器输出的电压为6.3kV，为满足风电机组、光伏逆变器的正常接入，需将6.3kV升压至35kV/6kV，设计双绕组输出方式，通过调节转接片的连接方式，调整输出变压器是采用6.3kV变35kV还是采用6.3kV变10kV，这样只需通过在现场更改转接片的连接方式，即可测试风电机组或光伏逆变器。

主控制器50与所述级联式扰动发生器相连，用于产生控制指令并发送至所述级联式扰动发生器20，以产生不同电压等级的扰动。具体地，作为电网适应性测试装置的控制大脑，主控制器50还控制着电网适应性测试装置的各种继电器的分合、电网适应性内部的加热器、冷却风扇的控制以及级联式扰动发生器的控制算法。优选地，本申请的装置可以采用MicroLogix1500系列中的1764型PLC(ProgrammableLogicController，可编程逻辑控制器)和TI系列数字信号处理中的TMS28334作为主控制芯片，其中1764型PLC负责上层控制算法的计算，以及断路器、继电器、加热器、冷却风扇等部件的控制，同时1764型PLC负责与上位机的通信，通过主控屏向PLC下发控制指令进行操作，同时预留了上位机数据通讯接口，方便远程的控制操作。TI28334负责级联式扰动发生器20的控制算法计算，通过载波移相的SPWM控制算法，控制功率单元的开通和关断，输出正弦的交流电，并且在其内容增加了存储单元，可以记录功率单元的输出状态，方便故障现象的数据分析。

本实施例的电网适应性测试装置，可以同时应用在风电机组和光伏逆变器，在测试不同对象时，只需进行简单的现场改线即可进行测试，简化了现场安装操作步骤，并且级联式扰动发生器的设计可以更好的适应不同的接入对象，具备较强的鲁棒性能。通过在移相变压器的二次端每相设置6组二次绕组，可以增加测试装置的容量，同时整流单元可以采用模块化设计，提升电网扰动装置的可靠性和便捷性。

图6是本发明另一个实施例的电网适应性测试装置的结构示意图。

在本申请的一个实施例中，如图6所示，在图1的基础上，所述装置还包括高压输入端60、高压输出端70、输入保护器80、输入断路器81、综合保护器82和数据采集分析系统90，其中，输入保护器80包括输入断路器81和综合保护器82(图中未示出)。

其中，输入保护器80与移相变压器10相连，用于控制所述电网适应性测试装置的通断电。其中，输入保护器80包括输入断路器81和综合保护器82。

高压输入端60和高压输出端70用于通过高压电缆引入站场内的电力信号。高压输入端60与输入保护器80相连，高压输出端70与输出升压变压器40相连。用于控制所述电网适应性测试装置的通断电。

高压输入端60将场站内的高压电引入电网适应性测试装置之后送至输入保护器80，通过输入断路器81控制电网适应性测试装置的送断电，同时综合保护器82起故障保护功能，可以预先设置一定的自我保护判定条件，在紧急状况或者触发设定的保护条件定值时可自动分断输入断路器81。例如，在电网适应性测试装置内部或被测的风电机组、光伏逆变器发生过流故障时，综合保护器82可以控制输入断路器81快速断开，保证故障与电网的切断，降低故障对电网安全运行的影响。

进一步的，所述输入保护器80与所述主控制器50相连，用于根据所述主控制器50的控制指令控制所述输入断路器81的通断。所述输入保护器80与主控制器50进行通信，通过主控制器50控制输入断路器81的分断，减少人为操作的失误，提升操作效率。

进一步地，所述被测装置可以是风电机组或光伏逆变器。

进一步地，数据采集分析系统90用于采集所述装置的输出端所连风电机组或光伏逆变器的并网信息，并分析所述风电机组或光伏逆变器的运行状态。该系统采集电网适应性测试装置高压输出端的三相电压、三相电流信号，记录风电机组或光伏逆变器的并网波形，进行在线数据处理分析，可以对风电机组的电网适应能力进行评价。

在风电机组/光伏逆变器进行电网适应性测试时，断开风电机组/光伏逆变器高压侧与中压电网的接线，将中压电网接入本申请装置的输入断路器，另将风电机组/光伏逆变器高压侧接入本申请装置的输出升压变压器输出侧，即将本申请的测试装置串联于风电机组/光伏逆变器高压侧与中压电网之间。通过本申请的装置内部的电压变换产生需要的谐波、电压偏差、频率偏差、闪变、三相不平衡，用于测试风电机组/光伏逆变器的电网适应能力。

本申请的实施例可以同时应用在风电机组和光伏逆变器，在测试不同对象时，只需进行简单的现场改线即可进行测试，简化了现场安装操作步骤，并且设计的硬件电路可以更好的适应不同的接入对象，具备较强的鲁棒性能。采用中压级联变流器，减少了功率器件的使用，又保证了变流器的可靠性能。同时具备主控制器中控功能，可以自动检测电网适应性装置的状态进行相应控制，简化了现场测试时的操作步骤，增加的上位机通讯接口和数据存储功能，使该装置使用更加便捷及智能。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种电网适应性测试装置，其特征在于，包括：

设有可切换绕组的移相变压器，所述移相变压器的一次端设有转接头，用于连接至少两种电压等级的输入端子；

与所述移相变压器相连的级联式扰动发生器，由多个H桥功率单元级联，用于根据控制信号产生不同等级的扰动电压；

输出滤波器，用于对所述级联式扰动发生器输出的交流电压信号进行滤波，得到预设频率的正弦波信号；

输出升压变压器，采用可切换绕组输出，用于对所述正弦波信号升压至预设的电压等级；

主控制器，与所述级联式扰动发生器相连，用于产生控制指令并发送至所述级联式扰动发生器。

2.如权利要求1所述的电网适应性测试装置，其特征在于，所述移相变压器的二次端采用角形接法，每一相包含六组二次绕组，每个二次绕组的相位角依次错位30度。

3.如权利要求1所述的电网适应性测试装置，其特征在于，所述H桥功率单元由整流模块、直流滤波模块、逆变模块集成，其中，

所述整流模块是采用IGBT模块组成的三相桥电路，用于将所述移相变压器输出的交流电压信号整流成直流电压信号；

所述直流滤波模块，用于滤除所述直流电压信号中的交流分量，同时储存能量，为所述逆变模块提供稳定的电压；

所述逆变模块是采用IGBT模块组成的单相桥电路，用于根据所述滤波后的直流电压信号输出单相交流电压信号。

4.如权利要求3所述的电网适应性测试装置，其特征在于，所述多个H桥功率单元级联是六个H桥功率单元的单相交流电压信号输出级联，输出信号为三相交流波中的一相。

5.如权利要求1所述的电网适应性测试装置，其特征在于，所述输出滤波器为LCL型滤波器。

6.如权利要求1所述的电网适应性测试装置，其特征在于，还包括：

与所述移相变压器相连的输入保护器，包括输入断路器和综合保护器，用于控制所述电网适应性测试装置的通断电。

7.如权利要求6所述的电网适应性测试装置，其特征在于，还包括：

高压输入端和高压输出端，用于通过高压电缆引入站场内的电力信号；

其中，所述高压输入端与所述输入保护器相连，所述高压输出端与所述输出升压变压器相连。

8.如权利要求6所述的电网适应性测试装置，其特征在于，所述输入保护器与所述主控制器相连，用于根据所述主控制器的控制指令控制所述输入断路器的通断。

9.如权利要求1-8任一项所述的电网适应性测试装置，其特征在于，所述被测装置是风电机组或光伏逆变器。

10.如权利要求1所述的电网适应性测试装置，其特征在于，还包括：

数据采集分析系统，用于采集所述装置的输出端所连风电机组或光伏逆变器的并网信息，并分析所述风电机组或光伏逆变器的运行状态。